Почему электрическое сопротивление полупроводников уменьшается при повышении температуры кратко
Обновлено: 04.07.2024
В отличие от металлов, сопротивление которых при повышении температуры увеличивается, сопротивление полупроводников при нагревании уменьшается. В данном опыте демонстрируется изменение сопротивления при изменении температуры типичного полупроводника - германия.
В отличие от металла, сопротивление которого с ростом температуры увеличивается, сопротивление других материалов, которые называются полупроводниками, уменьшается при нагреве этого материала. Почему уменьшается сопротивление полупроводника с ростом температуры? Дело в том, что электропроводность любого материала - а электропроводность и сопротивление - это взаимно обратные величины - так вот, электропроводность любого материала зависит от заряда носителей тока, от скорости их упорядоченного движения, направленного движения в электрическом поле, и от числа этих носителей в единице объема вещества, так называемой концентрации носителей. В полупроводниках с ростом температуры увеличивается концентрация носителей, увеличивается число переносчиков заряда, и это приводит к тому, что при нагреве возрастает электропроводность, то есть, иначе говоря, убывает сопротивление полупроводника.
Мы проиллюстрируем сказанное на следующем опыте. Собранная установка состоит из выпрямителя (источника постоянного тока) и последовательного соединенных с ним демонстрационного гальванометра и типичного полупроводника. Вот кусок германия, черный такой квадрат, который зажат в металлические зажимы.
Замкнем цепь выпрямителя. По цепи пошел ток. Величина этого тока определяется сопротивлением цепи.
Попробуем нагреть германий в пламени спиртовки. Мы видим, что при нагреве германия ток в цепи возрастает. И возрастание тока в цепи при нагреве германия свидетельствует об уменьшении сопротивления всей цепи. Но поскольку я нагреваю германий, то это уменьшение сопротивления обязано тем, что уменьшается сопротивление германия при его нагреве.
Если охладить германий в холодной воде, то при этом сопротивление германия возрастает, и ток в цепи уменьшается.
Попробуем вновь нагреть германий в пламени горящей спиртовки. И вновь при увеличении температуры происходит уменьшение сопротивления полупроводника, о чем свидетельствует возрастание тока в цепи.
Опыты показывают, что при нагревании электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов уменьшается (рис. 157). Уменьшение электрического сопротивления полупроводников при нагревании объясняется тем, что с повышением температуры кристалла число оспобождающихся электронов увеличивается, концентрация свободных электронов в кристалле возрастает.
Зависимость электрического сопротивления полупроводниковых материалов от температуры используется в специальных полупроводниковых приборах — терморезисторах.
Устройство терморезисторов.
Для изготовления терморезисторов применяются полупроводниковые
материалы, являющиеся смесью оксидов некоторых металлов — титана, магния, никеля, лития, марганца, кобальта. Полупроводниковое вещество помещается в металлический защитный чехол, в котором имеются изолированные выводы для включения терморезистора в электрическую цепь. Некоторые терморезисторы не имеют специальной защитной оболочки, полупроводниковый материал в них лишь покрыт слоем лака.
Изменение сопротивления терморезисторов при нагревании или охлаждении позволяет использовать их в приборах для измерения температуры, для поддержания постоянной температуры в автоматических устройствах — в закрытых камерах-термостатах.
Фоторезисторы.
Опыты показывают, что электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов изменяется не только при их нагревании, но и при освещении. При увеличении освещения электрическое сопротивление полупроводниковых материалов уменьшается. Это означает, что энергия, необходимая для освобождения электронов и дырок, может быть передана им светом, падающим на кристалл. Приборы, в которых используется свойство полупроводниковых кристаллов изменять свое электрическое сопротивление при освещении светом, называются фоторезисторами. Фоторезисторы изготавливаются в виде тонких слоев полупроводникового вещества, нанесенных на подложку изолятора. Материалами для изготовления фоторезисторов служат соединения типа и ряд других.
Свойства р-n-перехода.
Полупроводниковые приборы являются основой современной электронной техники. Они применяются в радиоприемниках и телевизорах, микрокалькуляторах и электронных вычислительных машинах. Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств -перехода.
Для создания -перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью — область с электронной проводимостью.
Такая область создается введением примеси в процессе выращивания кристалла или введением атомов примеси в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок (рис. 158, а).
Диффузия электронов из
полупроводника в -полупроводник приводит к появлению в электронном проводнике нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси, в дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к появлению нескомпенсированных зарядов отрицательных ионов акцепторной примеси (рис. 158, б). Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из -полупроводника в -полупроводник или дырок из -полупроводника в -полупроводник. Электронио-дырочный переход, или сокращенно p-n-переход,
является границей, разделяющей области с дырочной и электронной проводимостями в одном монокристалле.
Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик.
Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов создают напряжение его значение для германиевых -переходов равно примерно 0,35 В; для кремниевых — около 0,6 В.
Если к -переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в -полупроводнике и дырки в -полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление -перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в -полупроводнике и дырок в -полупроводнике.
Если к -переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через -переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его удельное сопротивление. Сила тока через диод в этом случае при напряжениях, превышающих ограничивается лишь сопротивлением внешней электрической цепи. Этот способ включения диода называется включением в пропускном или в прямом направлении.
Способность -перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, точнее в пульсирующий, ток.
Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком — зависимость их параметров от температуры.
Транзистор.
Транзистор, или полупроводниковый триод, был изобретен в 1948 г. По способу изготовления транзистор очень мало отличается от полупроводникового диода.
Для изготовления транзистора из монокристалла германия с электронной проводимостью в него с двух противоположных сторон вводится примесь атомов индия. Две области монокристалла германия с примесью индия становятся полупроводниками с дырочной проводимостью, а на границах соприкосновения их с основным кристаллом возникают
два перехода. Средняя область кристалла называется базой транзистора, а две крайние области кристалла, обладающие проводимостью противоположного базе типа, называются коллектором и эмиттером (рис. 159). Транзисторы, в которых эмиттер и коллектор обладают дырочной проводимостью, а база — электронной, называются транзисторами -перехода.
Транзисторы -перехода имеют аналогичное устройство — только материал базы в них обладает дырочной проводимостью, а коллектор и эмиттер — электронной. Условное обозначение транзистора на схемах представлено на рисунке 160.
Включение транзистора в электрическую цепь.
Для приведения в действие на коллектор транзистора типа подают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера. Напряжение на базе может быть как положительным, так и отрицательным по отношению к эмиттеру.
Основным рабочим состоянием транзистора в большинстве электрических схем является активное состояние, при котором к эмиттерному -переходу приложено напряжение в пропускном направлении, а к коллекторному — в запирающем направлении. При этом эмиттерный -переход открывается и из эмиттера в базу переходят дырки.
Путем диффузии дырки распространяются из области с высокой концентрацией вблизи эмиттера в область с низкой концентрацией к коллектору. Дырки, достигающие коллекторного -перехода, втягиваются его полем и переходят в коллектор.
Небольшая доля дырок, движущихся от эмиттера к коллектору встречает на своем пути через базу электроны и рекомбинирует с ними. Убыль электронов в базе за счет рекомбинации восполняется приходом электронов через базовый вывод. Таким образом, ток, протекающий через эмиттерный вывод транзистора в активном состоянии оказывается равным сумме токов, протекающих через его коллекторный и базовый выводы:
Соотношение между токами коллектора и базы транзистора в активном состоянии определяется условиями диффузии и
рекомбинации дырок в базе. Эти условия сильно зависят от типов использованных для изготовления транзисторов материалов и конструкции их электродов, но очень слабо зависят от коллекторного и базового напряжений. Поэтому транзистор можно рассматривать как устройство, распределяющее ток, протекающий через один из его электродов — эмиттер, в заданном соотношении между двумя другими электродами — базой и коллектором (рис. 161).
Усилительные свойства транзистора.
Способность транзистора распределять ток эмиттера в заданном соотношении между коллектором и базой может быть использована для усиления электрических сигналов. Отношение изменения силы тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы при постоянном напряжении на коллекторе для каждого транзистора есть величина постоянная, называемая интегральным коэффициентом передачи базового тока
Для транзисторов различных типов значение этого коэффициента лежит в пределах от 15—20 до 200—500. Следовательно, вызывая каким-то способом изменения тока в цепи базы транзистора, можно получить в десятки и даже в сотни раз большие изменения тока в цепи коллектора.
Используя параметр связь между током коллектора и током базы можно приближенно записать в виде
При включении транзистора по схеме, представленной на рисунке 162 (схема с общим эмиттером), отношение изменения тока коллектора к изменению тока базы является отношением изменения выходного тока к изменению входного тока Это отношение называется коэффициентом усиления по току К,
Так как параметр транзистора может иметь значения от до электрическая схема с использованием одного транзистора может усиливать электрические сигналы по току в десятки и даже сотни раз.
Для усиления сигнала по напряжению в цепь коллектора должен быть включен резистор
значение электрического сопротивления которого должно быть рассчитано для каждого конкретного случая.
Изменение тока коллектора на некоторую величину приводит к изменению напряжения между выходными клеммами на величину
Отношение этого изменения напряжения на выходе транзистора к вызвавшему его изменению напряжения на входе называется коэффициентом усиления каскада по напряжению
В качестве усилительных элементов транзисторы широко применяются в радиоприемниках, телевизорах, магнитофонах.
Изменением знака напряжения, подаваемого между базой и эмиттером, можно включать и выключать ток, протекающий через коллекторный вывод транзистора. В качестве бесконтактных переключательных элементов транзисторы используются в различных приборах автоматического управления, электронных вычислительных машинах.
Микроэлектроника.
Качественно новый этап развития электронной вычислительной техники, систем связи, автоматики наступил в результате развития нового раздела электроники — микроэлектроники.
Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов — транзисторов, диодов, резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе.
Наиболее революционные изменения благодаря разработке микросхем произошли в области электронной вычислительной техники. Вместо ламповых ЭВМ, содержащих десятки тысяч ламп
и занимавших несколько этажей здания, транзисторных ЭВМ, занимавших большую комнату, созданы компьютеры на интегральных схемах - микропроцессорах, размещающиеся на письменном столе. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.
Применение микропроцессоров привело к тому, что скорость вычислений на ЭВМ за 25 лет выросла примерно в 200 раз, а потребление электроэнергии ЭВМ уменьшилось в раз.
При изменении температуры изменяется проводимость чистых металлов, сплавов и полупроводников.
Экспериментально установлено, что при повышении температуры сопротивление металлов увеличивается. При не слишком низких температурах сопротивление металлов растет пропорционально абсолютной температуре Т:
где – сопротивление при температуре , - постоянный коэффициент, приблизительно равный 1/273 К -1 .
Соотношение (1) можно представить в виде
где – температура в o С, т.е. температурная зависимость сопротивления металлов линейна (рис.2).
Причинами электрического сопротивления в металлах являются посторонние примеси и физические дефекты кристаллической решетки металла, а также тепловое движение атомов металла, амплитуда колебаний которых зависит от температуры. Подвижность свободных носителей заряда (электронов) уменьшается при повышении температуры из-за возрастания числа столкновений с атомами кристаллической решетки металла, что приводит к росту сопротивления.
У полупроводников с ростом температуры подвижности носителей заряда (электронов и дырок) тоже падают, но это не играет заметной роли, т.к. рост концентрации является преобладающим. В результате сопротивление полупроводников с увеличением температуры Т практически уменьшается по экспоненциальному закону (рис.2):
где R0 , b – константы, зависящие от природы полупроводника, e – основание натуральных логарифмов.
На рис.2 приведена зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры, эта зависимость носит резко выраженный характер.
При изменении температуры изменяется проводимость чистых металлов, сплавов и полупроводников.
Экспериментально установлено, что при повышении температуры сопротивление металлов увеличивается. При не слишком низких температурах сопротивление металлов растет пропорционально абсолютной температуре Т:
где – сопротивление при температуре , - постоянный коэффициент, приблизительно равный 1/273 К -1 .
Соотношение (1) можно представить в виде
где – температура в o С, т.е. температурная зависимость сопротивления металлов линейна (рис.2).
Причинами электрического сопротивления в металлах являются посторонние примеси и физические дефекты кристаллической решетки металла, а также тепловое движение атомов металла, амплитуда колебаний которых зависит от температуры. Подвижность свободных носителей заряда (электронов) уменьшается при повышении температуры из-за возрастания числа столкновений с атомами кристаллической решетки металла, что приводит к росту сопротивления.
У полупроводников с ростом температуры подвижности носителей заряда (электронов и дырок) тоже падают, но это не играет заметной роли, т.к. рост концентрации является преобладающим. В результате сопротивление полупроводников с увеличением температуры Т практически уменьшается по экспоненциальному закону (рис.2):
где R0 , b – константы, зависящие от природы полупроводника, e – основание натуральных логарифмов.
На рис.2 приведена зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры, эта зависимость носит резко выраженный характер.
Практически в электротехнике выло выявлено, что с увеличением температуры сопротивление проводников из металла возрастает, а с понижением уменьшается. Для всех проводников из металла это изменение сопротивления почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°С.
Если быть точным, то на самом деле при изменении температуры проводника изменяется его удельное сопротивление, которое имеет следующую зависимость:
где ρ и ρ0, R и R0 - соответственно удельные сопротивления и сопротивления проводника при температурах t и 0°С (шкала Цельсия), α - температурный коэффициент сопротивления, [α] = град -1 .
Изменение удельного сопротивления проводника приводит к изменения самого сопротивления, что видно из следующего выражения:
Зная электронную теорию строения вещества можно дать следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, которая несомненно передается всем атомам вещества, в результате чего .возрастает их тепловое движение. Увеличившееся тепловое движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов (увеличивается вероятность столкновения свободных электронов с атомами), от этого и возрастает сопротивление проводника.
С понижением температуры направленное движение электронов облегчается (уменьшается возможность столкновения свободных электронов с атомами), и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление — сверхпроводимость металлов. Сверхпроводимость, т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре —273° С, называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.
График звисимости сопротивления металлического проводника от температуры представлен на рисунке 1.
Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры
Необходимо сказать, что сопротивление электролитов и полупроводников (уголь, селен и другие) с увеличением температуры уменьшается.
Температурная зависимость сопротивления электролита объясняется также в основном изменением удельного сопротивления,однако всегда температурный коэффициент сопротивления - α
Поэтому кривая зависимости сопротивленя электролита от температуры имеет вид, представленый на рисунке 2.
Рисунок 1. График зависимости удельного сопротивления электролита от температуры
Ддя полупроводников характер изменения удельного сопротивления от температуры будет схож с таковым для элетролитов.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
Читайте также: